Biosensores

INTRODUCCIÓN

La necesidad de llevar a cabo determinaciones analíticas de manera rápida, selectiva y con elevada sensibilidad ha dado lugar a la aparición y amplio desarrollo de los denominados biosensores. Estos dispositivos analíticos que incorporan un elemento biológico como fase sensorial asociado a un transductor físico-químico, presentan un enorme potencial para la detección de numerosos analitos tanto en el ámbito del análisis clínico, industria alimenticia o medio ambiental. La utilización de transductores de tipo electroquímico, óptico, piezoeléctrico o térmicojunto a la inclusión de enzimas, anticuerpos, ácidos nucleicos, receptores celulares e incluso células enteras ha dado lugar a una amplísima variedad de configuraciones y alternativas para la resolución de numerosos problemas analíticos y aplicación en diversos campos como la salud, industria alimentaria, monitorización medioambiental, control de procesos industriales o seguridad y defensa.

BIOSENSORES

1.-Historia

Los biosensores, al igual que cualquier otro tipo de instrumento, han evolucionado a lo largo de la historia. Anecdóticamente, podríamos decir que los primeros biosensores fueron los canarios; ya que estas aves se utilizaban antiguamente en las minas de carbón para detectar gases tóxicos. Los canarios se mueren antes que las personas en presencia de monóxido de carbono o metano y como suelen estar cantando la mayoría del tiempo el hecho de que no lo hicieran se convertía en una alarma sonora.

Pero, al margen de este hecho anecdótico, se puede decir que el padre de estos dispositivos es Leland C. Clark Jr., que en 1956 finalizó sus trabajos con el electrodo de O2, pero no se conformó y con la idea de ampliar su uso al de medir más analitos en el cuerpo humano, en 1962 propuso hacer sensores “más inteligentes”. Lo que él quería decir con esto era que sería una buena idea combinar las enzimas y otros materiales biológicos con los sensores electroquímicos que había hasta esa época. Con esta idea, y con la ayuda de Lyon, construyó el primer biosensor. Este consistía en un electro de O2 con la enzima glucosa oxidasa inmovilizada. Este biosensor permitía relacionar directamente la concentración de glucosa con la disminución de la concentración de oxígeno. Posteriormente, Guilbault y Montalvo detallaron el primer electrodo enzimático potenciométrico basado en la inmovilización de la enzima ureasa sobre un electrodo selectivo de amonio.

En 1975 esto se convirtió en una realidad comercial, poniéndose a la venta el primer analizador de glucosa basado en la detección amperométrica de peróxido de hidrógeno (agua oxigenada) en Ohio. Este fue el primer biosensor a la venta de los muchos que se comercializarían más adelante.

2.-Definición

Un biosensor se define como una herramienta o un sistema analítico compuesto por un material biológico que está inmovilizado, del tipo enzimas, anticuerpos, orgánulos… Este material biológico está en contacto con un sistema transductor adecuado que convierte la señal bioquímica en una señal eléctrica que se puede cuantificar. Las señales eléctricas que se producen pueden ser continuas o discontinuas. Se emplea un transductor porque es un dispositivo capaz de transformar o convertir un determinado tipo de energía de entrada, en otra diferente a la salida. La elección del componente biológico, además, va a depender de la sustancia, que normalmente se denomina analito, que se quiera analizar o cuantificar; el transductor a su vez también dependerá del biocomponente.

El dispositivo traduce el cambio químico producido en presencia del compuesto de origen biológico en una señal eléctrica procesable. Todo esto en pocos minutos.

El ejemplo más exitoso y difundido hasta el momento es el biosensor para medir la glucosa en sangre de pacientes diabéticos. Se trata de un dispositivo más pequeño que un teléfono celular, cuyo elemento de reconocimiento es la enzima glucosa oxidasa. El paciente coloca una gotita de su sangre sobre las tiras descartables y en unos segundos conoce su nivel de glucosa.

3.-Funcionamiento de un Biosensor

La siguiente figura muestra el funcionamiento básico de un biosensor:

El analito es reconocido por el sistema receptor generando una señal primaria. A continuación el transductor la convierte en una señal secundaria eléctrica, que posteriormente es amplificada, condicionada y procesada, para ser presentada en forma de dato.

Esta forma de uso del sensor supone implícitamente que es éste quien va a la muestra y no al revés. Esto en la práctica tiene una clara ventaja temporal y espacial, ya que posibilita directa y continuamente el hecho de combinar diferentes fases del proceso analítico en el mismo dispositivo.

Convencionalmente, las dos funciones básicas para un biosensor son el reconocimiento y la transducción. Pudiéndose dar de forma consecutiva o simultánea en función de la naturaleza del sensor y vienen determinadas por la existencia de material es específicamente diseñados.

Se debe destacar que el primer material (elemento biológico), responsable de la etapa de reconocimiento del analito (molécula o microorganismo), es el que determinará las características de selectividad del dispositivo. Este material podrá aparecer integrado, acoplado o inmovilizado sobre un soporte adiente.

Como consecuencia de una reacción química o una interacción selectiva con el analito, permitirá la generación de un señal primaria en cualquier dominio (electroquímico, óptico, térmico, másico, etc.). Algunos de los fenómenos químicos asociados son:

• Cambios de color

• Cambios de potencial eléctrico

• Flujo de electrones

• La producción de calor

• Cambios en la frecuencia de oscilación del cristal

Por lo tanto, la información suministrada por la señal está directamente relacionada con la presencia de un analito determinado.

Un segundo material se encarga de traducir esta señal primaria generada en la etapa de reconocimiento en otra más fácilmente tratable (señal secundaria), que normalmente es

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